EP2541348B1 - Verfahren und Programmiersystem zur Programmierung einer Automatisierungskomponente - Google Patents

Verfahren und Programmiersystem zur Programmierung einer Automatisierungskomponente Download PDF

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EP2541348B1
EP2541348B1 EP11005250.3A EP11005250A EP2541348B1 EP 2541348 B1 EP2541348 B1 EP 2541348B1 EP 11005250 A EP11005250 A EP 11005250A EP 2541348 B1 EP2541348 B1 EP 2541348B1
Authority
EP
European Patent Office
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program
automation
programming system
main memory
memory
Prior art date
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Active
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EP11005250.3A
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English (en)
French (fr)
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EP2541348A1 (de
Inventor
Rudolf MÖSSNER
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to US13/535,093 priority patent/US9910418B2/en
Priority to CN201210224450.XA priority patent/CN102855137B/zh
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G05B19/0426—Programming the control sequence
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F8/00—Arrangements for software engineering
    • G06F8/40—Transformation of program code
    • G06F8/41—Compilation
    • G06F8/44—Encoding
    • G06F8/443—Optimisation
    • G06F8/4441—Reducing the execution time required by the program code
    • G06F8/4442—Reducing the number of cache misses; Data prefetching

Definitions

  • the invention relates to a method for programming an automation component of an industrial automation arrangement according to the preamble of patent claim 1, and to a programming system for carrying out the method according to claim 9.
  • CPU Central Processing Unit
  • a hierarchically structured memory system is generally used, with the "closer" to the processing unit (processors) lying levels, such as cache memory or so-called tightly coupled memory (TCM), usually lower storage capacities, but much higher Access speeds and lower latencies than the general memory (mostly DRAM).
  • processors processing unit
  • TCM tightly coupled memory
  • TCM memory is used specifically for the reproducible execution of code or for reproducible access to data.
  • TCM memory requires an exact knowledge of the HW architecture and the manual creation of special locating rules for the code and data portions.
  • the achievable performance in the microprocessor system is highly dependent on whether the code to be processed or the associated data is already in the fast "core near” memory, such as cache memory or TCM memory, or even in the relatively slow normal memory (usually DRAM). Since an entire program, in particular automation program, is generally greater than the available fast special memory (cache memory, TCM memory), and it depends on the previous program flow, which parts of the automation program and which parts of the data in the special memory and which are not, is the temporal behavior of the application in general, and especially the execution time and response time of certain functions barely predictable and also fluctuating.
  • Determining the execution time for this "worst case" is for the user also difficult, since the durations of a task (task) are massively influenced by the timing in the other tasks, which concerns both an interruption of an important task, as well as the "history" of the occupancy of a cache memory, etc.
  • a user interface is provided to a user, which provides a comfortable way to create part-tasks or sub-programs with high demands on the reproducibility of execution time and performance in general, the user is relieved of the concrete knowledge of the underlying storage structure, so that locating rules can be created easily and independently of hardware. According to the invention thereby all program parts that can come in the execution of a time-critical task to be executed, permanently remain in a special, fast main memory.
  • the solution of the task provides in particular a method for programming an automation component of an industrial automation arrangement, wherein the automation component is equipped with a general memory and at least one special memory with faster compared to the general memory faster access, and at runtime of an automation program, a part of Automation program is stored in the special memory. It is at the creation of the automation program a user provided an input option for assigning priority values for individual tasks of the automation program, by an entity identification of all program parts that are called when executing at least the task with the highest priority assigned by the user or called can, takes place. The identified program parts are then permanently stored in the at least one special random access memory for the duration of the execution of the automation program. This procedure ensures that important program parts can be executed quickly by being stored in the faster, special memory.
  • the solution to the problem also provides a programming system for the creation of an automation program for an automation component, wherein the programming system is designed for carrying out this method according to the invention.
  • the programming system in particular comprises an input possibility for assigning priority values or at least one priority value to a program part or to a programmed function which is to be executed as quickly as possible and / or with reproducible delay or latency at runtime.
  • the programming system comprises a device with which all functions or program parts or program routines that depend on the selected function can be identified or identified.
  • the programming system especially with the programming system Connected compiler, linker and "loader", is also designed such that the identified program parts, routines, etc. are stored during the runtime of the automation program in the special memory and there are permanently available for execution. With such a programming system, the same advantages can be realized, which are associated with the method according to the invention.
  • a cache memory or a tightly-coupled memory is used as the special main memory.
  • Such memory structures are connected by a particularly fast interface to a microprocessor or processor core, so that a fast execution of the therein program code is guaranteed.
  • other types of memory preferred for accesses may be used. It is essential that it is not decided on the basis of an execution statistics or similar mechanisms, which program parts and program routines are stored in this special memory, but that the user-prioritized program parts and possibly the dependent program parts and operating system routines permanently in be kept in this special memory.
  • Examples of tasks to be prioritized include processing routines for events, so-called interrupt tasks (interrupt service routines), or similarly important or time-critical program parts.
  • the operating system routines called up by the identified program parts can advantageously also be stored in the special main memory, provided that its storage capacity is sufficient for this purpose. In an advantageous embodiment of the invention, starting with the tasks with the highest priority, so many program parts and associated data in the special memory shifted until its capacity limits are reached.
  • Another additional way to achieve consistent, high processing speeds is to reserve at least one processor or processor core for the identified program parts in multiprocessor systems or in multi-core processor systems.
  • a programming system which is designed as a so-called "engineering system”, and thus at least includes an editor for the creation of the automation program and a compiler for the compilation of the automation program.
  • the information that is captured via the input option and that relate to the prioritization of program parts can be forwarded directly to the compiler and a corresponding loader, in addition to the previously mentioned measures, namely the storage of such program parts or the resulting executable code in the special memory, for these program parts further advantageous measures can be taken.
  • the compiler may identify the identified program parts translate such that they have the highest possible execution speed on the one hand, but on the other hand can be completely accommodated in the special memory.
  • Such a programming system advantageously has knowledge of the approximate size of the available special memory, so that already at the input option a user can be informed which or how many of the available program parts and routines can be prioritized and which not.
  • the single figure shows an input option for priority values that can be assigned to events and other program parts.
  • an input option EM is shown, which represents various program parts or tasks of an automation program, such as process alarms, delay alarms, asynchronous error alarms and others.
  • Each of these categories lists various program modules, which are also referred to as "organization blocks" OB.
  • Each of these organization blocks OB can be assigned a priority value PW, wherein at least the one organization block OB, with the highest priority value (here: 31) in the figure is the organization block OB40, to be provided for persistent storage in the special memory.
  • the input option EM is thus a user interface that offers a convenient way to create or determine PLC subapplications with high demands on reproducibility and performance, whereby the underlying real hardware is hidden for a user.
  • the System must have only an indication of the size of the special memory.
  • a user-created application is fully or incrementally translated to target platform-specific machine code using a compilation process.
  • This compilation process can take place in several stages. The respective stages of the compilation process can be executed both on the authoring system and also proportionally or entirely on the target platform (PLC, CPU).
  • a user thus receives on the programming interface the possibility, for example, to identify "jitter-critical tasks” accordingly, wherein this can be done via an adjustable task priority (priority value PW) or with the aid of an additional attribute (not shown).
  • PW priority value
  • an additional attribute not shown.
  • the indication of the size of the available special memory is advantageously based on a virtual Memory size that is independent of the actual underlying hardware. If necessary, this virtual memory statement takes account of compiler factors in the conversion of the user code to the target platform and, if appropriate, sufficient reserves for the perfomance processing of the throughput-oriented program parts to be prioritized or the operating system functionality to be stored. With the aid of this standardized memory size specification for the fast, special memory, the user can be provided with a target hardware-independent utilization indicator. The user is therefore guaranteed a certain amount of fast memory for "jitter-critical" program parts. Internal imaging methods or the real structure of the hardware are completely transparent to the user.
  • the compiler or locator can automatically allocate the critical program components to the specific memory area (s) in the target platform.
  • This reproducibly fast memory can be done by "curling" certain areas in the cache, by other mapping methods (e.g., cache coloring), or by locating in another fast memory area (e.g., Tightly-Coupled Memory).
  • the system functions eg parts of the SBS operating system or the "firmware" that are used from the user program can advantageously also be taken into account, as a result of which only those of the system functions permanently quickly occupy main memory, which are actually also used in the critical "tasks" ,
  • identification by means of the input option EM can advantageously be used to specifically determine specific strategies for the compiler for the critical program components, for example optimization for code size or code speed.
  • a method for allocating memory addresses can be selected in the locating, which allows a uniform utilization of available "cache-Ways", whereby sufficient cache resources for the high-performance processing of the throughput-oriented subtasks are available.
  • program code not only program code, but also data areas can be taken into account in the analysis and locating.
  • data areas can be taken into account in the analysis and locating.
  • data areas can also be specified and considered several different special memory areas with different associated speed classes.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Programmierung einer Automatisierungskomponente einer industriellen Automatisierungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, und ein Programmiersystem zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 9.
  • Für die Automatisierung von Fertigungsanlagen und Prozessen werden speicherprogrammierbare Steuerungen eingesetzt, kurz SPS. Kern einer speicherprogrammierbaren Steuerung ist eine mikroprozessorbasierte Steuerungseinrichtung, die oft auch als CPU bezeichnet wird (CPU = Central Processing Unit). Bei der Realisierung dieser Zentralbaugruppen (CPU's) in den speicherprogrammierbaren Steuerungen werden heute überwiegend gebräuchliche, aus dem PC-Bereich oder dem Mikrocontroller-Bereich bekannte Prozessoren oder Prozessor-Designs (Prozessor Cores) eingesetzt. Dabei können sowohl einzelne Prozessoren eingesetzt werden, als auch Multiprozessor-Systeme oder Systeme mit mehreren Prozessor-Kernen. Bei leistungsfähigen Prozessorsystemen wird im Allgemeinen ein hierarchisch strukturiertes Speichersystem eingesetzt, wobei die "näher" an der Verarbeitungseinheit (Prozessoren) liegenden Ebenen, beispielsweise Cache-Speicher oder sog. Tightly Coupled Memory (TCM), in der Regel geringere Speicherkapazitäten, dafür aber deutlich höhere Zugriffsgeschwindigkeiten und geringere Latenzzeiten aufweisen, als der allgemeine Arbeitsspeicher (meist DRAM).
  • Die technische Weiterentwicklung von Standard-Prozessoren und Prozessor-Cores wird im Wesentlichen durch Zielmärkte wie die PC-Technik, der Bild-, Video-Verarbeitung und der Datenübertragung (Telephonie, Streaming) geprägt. Dies hat zur Folge, dass sowohl die Hardware-Architektur als auch die Strategien zur Nutzung der Cache-Speicher bzw. der TCM-Speicher im Stand der Technik auf einen möglichst großen Datendurchsatz pro Zeiteinheit optimiert sind. Mit anderen Worten soll die durchschnittliche Verarbeitungszeit für eine Datenmenge regelmäßig minimiert werden. Bei vielen der bekannten Applikationen, bei denen umfangreiche Datenmengen bearbeitet werden, werden hierfür Schleifen bzw. immer wiederkehrende Unterprogrammsequenzen benutzt. Ein Cache-Controller oder eine ähnliche Verarbeitungseinheit registriert dabei den häufig wiederholt durchlaufenen Programm-Code und häufig verwendete Verwaltungsdaten, wodurch diese Programm- und Datensegment bevorzugt im Cache-Speicher bzw. TCM-Speicher gehalten werden. Die Verwendung von Cache-Speicher führt dabei also lediglich zur Optimierung des durchschnittlichen Durchsatzes.
  • Im Gegensatz dazu wird bei vielen typischen Anwendungen in der Automatisierungstechnik, bei denen die speicherprogrammierbaren Steuerungen eingesetzt werden, oft weniger hohe Anforderungen an die durchschnittliche Bearbeitungszeit oder einen hohen Datendurchsatz gestellt, sondern vielmehr eine hohe Anforderung an die Reproduzierbarkeit der Laufzeit oder der Verzögerungszeit für bestimmte Teilapplikationen, wobei diese möglichst wenig schwanken sollten, also einen möglichst geringen "Jitter" aufweisen sollen. Beispiele hierfür sind Anwendungen zur Bewegungssteuerung, Hydraulikregelungen, Umrichter-Steuerungen in der Leistungselektronik und auch die Reaktion auf asynchrone Ereignisse in schnell laufenden Maschinen und Anwendungen. TCM-Speicher wird dabei im Regelfall gezielt für die reproduzierbare Ausführung von Code bzw. für den reproduzierbaren Zugriff auf Daten verwendet. Die Verwendung von TCM-Speicher erfordert jedoch eine exakte Kenntnis der HW-Architektur und das manuelle Erstellen spezieller Lokatierungsvorschriften für die Code- und Daten- Anteile.
  • Somit sind die bekannten Verfahren für die speicherprogrammierbaren Steuerungen und die damit realisierten Anwendungen entweder weniger geeignet (Cache-Speicher) oder erfordern für ihre Implementierung hohen Aufwand und tiefgehende Kenntnisse der jeweils verwendeten Hardware (TCM-Speicher).
  • Die Druckschrift US 6,766,419 B1 - Zahir et al. "Optimization of cache evictions through software hints" strebt eine bessere Ausnutzung von Cache-Speicher an, indem vorgeschlagen wird, in Anwendungsprogrammen spezielle Anweisungen ("software hints") zu hinterlegen, die solche Daten, z.B. Variablen, bezeichnen, die im weiteren Programmablauf wahrscheinlich nicht mehr verwendet werden. Diese Daten können dann aus dem Cache-Speicher entfernt werden.
  • Die Druckschrift von Peter Hutchinson "The complete Amiga 500 user guide" beschreibt die vom Betriebssystem des Computers "Commodore Amiga 500" vorgesehene Möglichkeit, häufig benutzte Befehle bzw. den zur Ausführung dieser Befehle verwendeten Programmcode von einer Diskette in einen Festplattenspeicher, z.B. eine sog. RAM-Disk, zu übertragen. Ein Benutzer kann in einer Betriebssystemdatei dazu diejenigen Systemkommandos eintragen, die fortan aus dem Arbeitsspeicher heraus aufgerufen werden sollen. Damit wird der entsprechende Befehl in der Folge deutlich schneller ausgeführt.
  • Die erreichbare Performance im Mikroprozessor-System ist sehr stark davon abhängig, ob sich der zu verarbeitende Code bzw. die zugehörigen Daten bereits im schnellen "Core-nahen" Arbeitsspeicher, beispielsweise Cache-Speicher oder TCM-Speicher, befinden, oder noch im vergleichsweise langsamen normalen Arbeitsspeicher (in der Regel DRAM). Da ein gesamtes Programm, insbesondere Automatisierungsprogramm, im Regelfall größer ist als der zur Verfügung stehende schnelle spezielle Arbeitsspeicher (Cache-Speicher, TCM-Speicher), und es vom bisherigen Programmablauf abhängt, welche Teile des Automatisierungsprogramms und welche Teile der Daten sich im speziellen Arbeitsspeicher befinden, und welche nicht, ist das zeitliche Verhalten der Applikation im Allgemeinen und speziell die Ausführungszeit und Reaktionszeit bestimmter Funktionen kaum vorherzusagen und überdies schwankend.
  • Verstärkt wird dieser negative Effekt dadurch, dass die "Jitter-kritischen" Aufgaben (Tasks) häufig einen stark linearen Charakter aufweisen und somit in der Regel keine häufig durchlaufenen, lokalen Schleifen aufweisen, die bevorzugt von Cache-Verwaltungseinrichtungen im speziellen, schnellen Arbeitsspeicher gehalten werden. Für SPS-Tasks mit hohen Anforderungen an die Reproduzierbarkeit (z.B. Regelung, Takt-Erzeugung oder Reaktion auf Prozess-Alarme) ist diese nicht vorhersehbare, schwankende Abarbeitungsgeschwindigkeit in Folge von "Cache-Hit" oder "Cache-Miss" und den in diesem Zusammenhang auftretenden "Jitter" problematisch. Da Verletzungen von zeitlichen Anforderungen regelmäßig zu Störungen in der Applikation und somit eines zu steuernden Prozesses oder Ablaufs führen, muss für die Dimensionierung die im "Worst-Case"-Fall auftretende Programmlaufzeit, also diejenige bei "Cache-Miss", zugrunde gelegt werden, was zu erheblichen Performance-Einbußen führt, auch wenn die durchschnittlichen Werte deutlich besser sein könnten. Die Ermittlung der Ausführungszeit für diesen "Worst Case" ist für den Anwender auch schwierig, da die Laufzeiten einer Aufgabe (Task) massiv durch die zeitlichen Abläufe in den anderen Tasks beeinflusst werden, was sowohl eine Unterbrechung einer wichtigen Aufgabe betrifft, als auch die "Vorgeschichte" der Belegung eines Cache-Speichers etc.
  • Es ist also eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Geschwindigkeitsvorteil von Cache-Speicher bzw. TCM-Speicher für zeitkritische Aufgaben optimal und zuverlässig auszunutzen.
  • Es ist dabei ein zentraler Aspekt der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe, dass einem Benutzer eine Anwenderschnittstelle bereitgestellt wird, die eine komfortable Möglichkeit zur Erstellung von Teil-Aufgaben bzw. Teil-Programmen mit hohen Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Ausführungszeit und der Performance allgemein bietet, wobei der Benutzer von der konkreten Kenntnis der zugrundeliegenden Speicherstruktur entlastet ist, sodass Lokatierungsvorschriften einfach und Hardware-unabhängig erstellt werden können. Erfindungsgemäß sollen dadurch alle Programmteile, die bei der Ausführung einer zeitkritischen Aufgabe zur Ausführung kommen können, dauerhaft in einem speziellen, schnellen Arbeitsspeicher verbleiben.
  • Die Lösung der Aufgabe sieht insbesondere ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 und ein Programmiersystem gemäß dem Patentanspruch 9 vor.
  • Die Lösung der Aufgabe sieht insbesondere ein Verfahren zur Programmierung einer Automatisierungskomponente einer industriellen Automatisierungsanordnung vor, wobei die Automatisierungskomponente mit einem allgemeinen Arbeitsspeicher und mit zumindest einem speziellen Arbeitsspeicher mit im Vergleich zum allgemeinen Arbeitsspeicher schnellerem Zugriff ausgestattet ist, und wobei zur Laufzeit eines Automatisierungsprogramms ein Teil des Automatisierungsprogramms in dem speziellen Arbeitsspeicher gespeichert wird. Dabei wird bei der Erstellung des Automatisierungsprogramms einem Benutzer eine Eingabemöglichkeit zur Zuordnung von Prioritätswerten zu einzelnen Aufgaben des Automatisierungsprogramms zur Verfügung gestellt, wobei durch eine Einrichtung eine Identifizierung aller Programmteile, die bei der Abarbeitung zumindest der Aufgabe mit der höchsten von dem Benutzer zugeordneten Priorität aufgerufen werden oder aufgerufen werden können, erfolgt. Die identifizierten Programmteile werden dann für die Dauer der Ausführung des Automatisierungsprogramms dauerhaft in den zumindest einen speziellen Arbeitsspeicher gespeichert. Durch dieses Verfahren ist sichergestellt, dass wichtige Programmteile zum einen schnell ausgeführt werden können, indem Sie in dem schnelleren, speziellen Arbeitsspeicher gespeichert werden. Zum anderen ist die Ausführungsgeschwindigkeit dieser Programmteile konstant, denn diese Programmteile sind immer im speziellen Arbeitsspeicher abgespeichert, so dass ein "Cache-Miss" nicht auftreten kann. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin begründet, dass alle von der priorisierten Aufgabe abhängigen Programmteile ebenfalls in dem speziellen Arbeitsspeicher vorgehalten werden, so dass bei der Ausführung zeitkritischer Routinen eine Verzweigung in den konventionellen Arbeitsspeicher nicht notwendig ist.
  • Die Lösung der Aufgabe sieht außerdem ein Programmiersystem für die Erstellung eines Automatisierungsprogramms für eine Automatisierungskomponente vor, wobei das Programmiersystem zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Das Programmiersystem umfasst dabei insbesondere eine Eingabemöglichkeit zur Zuordnung von Prioritätswerten oder zumindest eines Prioritätswertes zu einem Programmteil bzw. zu einer programmierten Funktion, die zur Laufzeit möglichst schnell und/oder mit reproduzierbarer Verzögerung bzw. Latenzzeit ausgeführt werden soll. Weiterhin umfasst das Programmiersystem eine Einrichtung, mit der alle von der gewählten Funktion abhängigen Funktionen bzw. Programmteile oder Programm-Routinen ermittelt bzw. identifiziert werden können. Das Programmiersystem, insbesondere mit dem Programmiersystem verbundene Compiler, Linker und "Loader", ist zudem derart ausgestaltet, dass die identifizierten Programmteile, Routinen etc. während der Laufzeit des Automatisierungsprogramms im speziellen Arbeitsspeicher gespeichert werden und dort dauerhaft zur Ausführung bereit stehen. Mit einem solchen Programmiersystem lassen sich dieselben Vorteile realisieren, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbunden sind.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 8 angegeben. Die dabei beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten sinngemäß auch für das erfindungsgemäße Programmiersystem. Weiter sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Programmiersystems in den abhängigen Patentansprüchen 10 bis 16 angegeben, wobei deren Merkmale und Vorteile sinngemäß auch für das erfindungsgemäße Verfahren gelten. Die erfindungsgemäßen Merkmale der abhängigen Patentansprüche können entweder einzeln oder in freier Kombination miteinander wirken.
  • Vorteilhaft wird als der spezielle Arbeitsspeicher ein Cache-Speicher oder ein Tightly-Coupled Memory verwendet. Solche Speicherstrukturen sind durch eine besonders schnelle Schnittstelle an einen Mikroprozessor bzw. Prozessor-Kern angebunden, so dass eine schnelle Abarbeitung des darin befindlichen Programm-Codes gewährleistet ist. Selbstverständlich können auch andere bei Zugriffen bevorzugte Speicherarten eingesetzt werden. Wesentlich ist dabei, dass nicht aufgrund einer Ausführungsstatistik oder ähnlicher Mechanismen darüber entschieden wird, welche Programmteile und Programm-Routinen in diesem speziellen Arbeitsspeicher gespeichert werden, sondern dass die von dem Benutzer priorisierten Programmteile und ggf. die davon abhängigen Programmteile und Betriebssystem-Routinen dauerhaft in diesem speziellen Arbeitsspeicher vorgehalten werden. Als zu priorisierende Aufgaben bieten sich beispielsweise Verarbeitungsroutinen für Ereignisse an, sog. Interrupt-Tasks (Interrupt-Service-Routinen), oder ähnlich wichtige bzw. zeitkritische Programmteile. Sofern von den identifizierten Programmteilen Daten oder Datenstrukturen zugegriffen oder benötigt werden, ist es sinnvoll, diese ebenfalls nach Möglichkeit im speziellen Arbeitsspeicher vorzuhalten, um diesen Zugriff mit konstanter und hoher Zugriffsgeschwindigkeit zu realisieren. Weiter können vorteilhaft auch die von den identifizierten Programmteilen aufgerufenen Betriebssystem-Routinen im speziellen Arbeitsspeicher vorgehalten werden, sofern dessen Speichervermögen dazu ausreicht. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden, beginnend mit den Aufgaben mit der höchsten Priorität, so viele Programmteile und zugehörige Daten in den speziellen Arbeitsspeicher verlagert, bis dessen Kapazitätsgrenzen erreicht werden.
  • Eine weitere, zusätzliche Möglichkeit zur Erreichung konstanter, hoher Verarbeitungsgeschwindigkeiten besteht darin, in Multiprozessor-Systemen oder in Systemen mit Mehrkern-Prozessoren zumindest einen Prozessor oder einen Prozessor-Kern für die identifizierten Programmteile zu reservieren.
  • Bei der Realisierung des Verfahrens wird vorteilhaft ein Programmiersystem verwendet, welches als sog. "Engineering-System" ausgestaltet ist, und somit zumindest einen Editor für die Erstellung des Automatisierungsprogramms und einen Compiler für die Compilierung des Automatisierungsprogramms umfasst. Dadurch können die Informationen, die über die Eingabemöglichkeit erfasst werden und die die Priorisierung von Programmteilen betreffen, direkt an den Compiler und ein entsprechendes Ladeprogramm weitergeleitet werden, wobei zusätzlich zu den zuvor benannten Maßnahmen, nämlich der Speicherung solcher Programmteile bzw. des daraus resultierenden ausführbaren Codes in dem speziellen Arbeitsspeicher, für diese Programmteile weitere vorteilhafte Maßnahmen ergriffen werden können. So ist es beispielsweise bei vielen Compilern möglich, entweder besonders schnelle Programmcode zu erzeugen oder aber bei der Übersetzung des Programms mehr Gewicht auf einen sehr "kompakten", speicher-ökonomischen Programmcode zu legen. Entsprechend kann je nach verfügbarem speziellen Arbeitsspeicher der Compiler die identifizierten Programmteile derart übersetzen, dass sie auf der einen Seite eine möglichst hohe Ausführungsgeschwindigkeit aufweisen, andererseits aber vollständig im speziellen Arbeitsspeicher untergebracht werden können. Ein solches Programmiersystem hat vorteilhaft eine Kenntnis über die ungefähre Größe des Verfügbaren speziellen Arbeitsspeichers, so dass schon bei der Eingabemöglichkeit ein Benutzer darauf hingewiesen werden kann, welche oder wie viele der verfügbaren Programmteile und Routinen priorisiert werden können, und welche nicht.
  • Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Das Ausführungsbeispiel dient gleichzeitig der Erläuterung eines erfindungsgemäßen Programmiersystems.
  • Dabei zeigt die einzige Figur eine Eingabemöglichkeit für Prioritätswerte, die Ereignissen und anderen Programmteilen zugeordnet werden können.
  • In der Figur ist eine Eingabemöglichkeit EM dargestellt, die verschiedene Programmteile oder Aufgaben eines Automatisierungsprogramms darstellt, beispielsweise Prozess-Alarme, Verzögerungs-Alarme, Asynchronfehler-Alarme und andere. Jede diese Kategorien listet verschiedene Programmmodule auf, die auch als "Organisationsbausteine" OB bezeichnet werden. Jedem dieser Organisationsbausteine OB kann ein Prioritätswert PW zugeordnet werden, wobei zumindest derjenige Organisationsbaustein OB, mit dem höchsten Prioritätswert (hier: 31), in der Figur ist das der Organisationsbaustein OB40, zur persistenten Speicherung im speziellen Arbeitsspeicher vorgesehen werden soll.
  • Die Eingabemöglichkeit EM ist somit eine Anwenderschnittstelle, die eine komfortable Möglichkeit zur Erstellung oder Bestimmung von SPS-Teilapplikationen mit hohen Anforderungen an Reproduzierbarkeit und Performance bietet, wobei die zugrunde liegende reale Hardware für einen Benutzer verdeckt ist. Dem System muss lediglich eine Angabe über die Größe des speziellen Arbeitsspeichers vorliegen.
  • Die Anwenderprogrammerstellung erfolgt bei speicherprogrammierbaren Steuerungen in Programmiersystemen, die zumeist auf Basis einer virtuellen Maschine realisiert sind. Dieses Programmiersystem umfasst die Strukturierung von Teilaufgaben in Form von sog. "Tasks", also Organisationsbausteinen OB. Den "Tasks" können durch den Anwender Prioritäten bzw. Prioritätswerte PW zugeordnet werden. In den Tasks, also den priorisierten Programmteilen, können weitere Code-Bausteine hierarchisch aufgerufen werden. Ein- und derselbe Code-Baustein kann hierbei auch in verschiedenen "Tasks" verwendet werden. Der in den Code-Bausteinen enthaltene Code kann auf globale oder lokale Daten zugreifen.
  • Eine vom Anwender erstellte Applikation wird mit Hilfe eines Compilier-Prozesses vollständig oder inkrementell in Zielplattform-spezifischen Maschinencode übersetzt. Dieser Compilier-Prozess kann in mehrere Stufen erfolgen. Die jeweiligen Stufen des Compilier-Prozesses können sowohl auf dem Erstellsystem, als auch anteilig oder ganz auf der Zielplattform (SPS, CPU) ausgeführt werden.
  • Durch die Eingabemöglichkeit EM erhält ein Anwender also an der Programmieroberfläche die Möglichkeit, beispielsweise "Jitter-kritsche Tasks" entsprechend zu kennzeichnen, wobei dies über eine einstellbare Task-Priorität (Prioritätswert PW) oder mit Hilfe eines zusätzlichen Attributs (nicht dargestellt) erfolgen kann. Spätestens während des Compiler-Laufs erfolgt eine Analyse der Programmhierarchie. Auf dieser Basis werden die Code- und Datenanteile gekennzeichnet, die Bestandteil dieser kritischen "Tasks" sind und somit für eine Speicherung im speziellen Arbeitspeicher vorgesehen werden müssen.
  • Die Angabe der Größe des zur Verfügung stehenden speziellen Arbeitsspeichers erfolgt vorteilhaft auf Basis einer virtuellen Speichergröße, die unabhängig von der tatsächlich zugrunde liegenden Hardware ist. Diese virtuelle Speicherangabe berücksichtigt ggf. Compiler-Faktoren bei der Umsetzung des Anwendercodes auf die Zielplattform sowie ggf. ausreichend Reserven für die perfomante Abarbeitung der zu priorisierenden Durchsatz-orientierten Programmteile bzw. der mit zu speichernden Betriebssystemfunktionalität. Mit Hilfe dieser standardisierten Speichergrößenangabe für den schnellen, speziellen Arbeitsspeicher kann dem Anwender eine Zielhardwareunabhängige Auslastungsanzeige zur Verfügung gestellt werden. Dem Anwender wird also eine bestimmte Größe an schnellem Speicher für "Jitter-kritsche" Programmteile garantiert. Interne Abbildungsverfahren bzw. der reale Aufbau der Hardware sind für den Anwender vollständig transparent.
  • Auf Basis der Kennzeichnung von "Jitter-kritischen" Programmteilen kann mit Hilfe des Compilers bzw. Lokators (Loader) automatisch eine feste Zuordnung der kritischen Programmbestandteile zu dem oder den speziellen Arbeitsspeicher-Bereich(en) in der Zielplattform erfolgen. Dieser reproduzierbar schnelle Arbeitsspeicher kann durch "Locken" bestimmter Bereiche im Cache, durch andere Zuordnungsverfahren (z.B. Cache-Coloring) oder durch Locatierung in einen anderen schnellen Speicherbereich (z.B. TCMn - Tightly-Coupled Memory) erfolgen. Bei der Zuordnung können vorteilhaft auch die aus dem Anwenderprogramm heraus verwendeten Systemfunktionen (z.B. Teile des SBS-Betriebssystems oder der "Firmware") berücksichtigt werden, wodurch nur solche der Systemfunktionen permanent schnell Arbeitsspeicher belegen, die tatsächlich auch in den kritischen "Tasks" verwendet werden.
  • Zusätzlich kann vorteilhaft die Kennzeichnung mittels der Eingabemöglichkeit EM dazu verwendet werden, für die kritischen Programmbestandteile gezielt bestimmte Strategien für den Compiler zu bestimmen, beispielsweise Optimierung auf Code-Größe oder Code-Geschwindigkeit.
  • In einer anderen, vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Möglichkeit, kritische Programmbestandteile gezielt in eine eigenständige Ausführungseinheit auszulagern, beispielsweise in konfigurierbare Logik oder zur Abarbeitung eines reservierten Prozessors oder Prozessor-Kerns. Zusätzlich oder alternativ kann bei der Locatierung auch ein Verfahren zur Vergabe von Speicheradressen gewählt werden, welches eine gleichmäßige Auslastung von zur Verfügung stehenden "Cache-Ways" ermöglicht, wodurch ausreichend Cache-Ressourcen für die performante Abarbeitung der Durchsatz-orientierten Teilaufgaben zur Verfügung stehen.
  • Das Verfahren kann sowohl für textuelle als auch für graphische Programmiersprachen sowie einer Kombination daraus angewendet werden. Dem Anwender soll dabei optional die Möglichkeit gegeben werden, bestimmte Programmteile, die in der Aufrufhierarchie eines ausgewählten, kritischen Programmteils vorhanden sind, von der Locatierung in den schnellen, speziellen Arbeitsspeicher auszuschließen, beispielsweise für unkritischen Initialisierungscode oder für unkritische Fehlerbehandlungssequenzen. Dies kann durch Kennzeichnung ganzer Bausteine, beispielsweise Organisationsbausteine OB, oder durch Kennzeichnung im Quellcode erfolgen. Im Gegensatz dazu kann dem Anwender ebenfalls optional die Möglichkeit gegeben werden, bestimmte Programmteile, auch wenn sie sich nicht in der Aufrufhierarchie eines kritischen "Tasks" befinden, im schnellen, speziellen Arbeitsspeicher abzulegen. Dies kann beispielsweise durch Kennzeichnung ganzer Organisationsbausteine OB oder durch Kennzeichnung im Quellcode erfolgen. Als eine weitere Option kann das Verfahren auch so ausgebildet sein, dass auch durch ein Nachladen im Betriebszustand "Run" keine negativen Auswirkungen auf die zeitliche Stabilität auftreten, sofern in der virtuellen Speicherangabe bereits die dazu erforderlichen Ressourcen berücksichtigt sind.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann nicht nur Programm-code, sondern es können auch Datenbereiche bei der Analyse und Locatierung berücksichtigt werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können auch mehrere verschiedene spezielle Arbeitsspeicher-Bereiche mit verschiedenen zugeordneten Geschwindigkeitsklassen angegeben und berücksichtigt werden.

Claims (16)

  1. Verfahren zur Programmierung einer Automatisierungskomponente einer industriellen Automatisierungsanordnung,
    wobei die Automatisierungskomponente mit einem allgemeinen Arbeitspeicher und mit zumindest einem speziellen Arbeitsspeicher mit schnellerem Zugriff ausgestattet ist, und
    wobei zur Laufzeit eines Automatisierungsprogramms ein Teil des Automatisierungsprogramms in dem speziellen Arbeitsspeicher gespeichert wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass bei der Erstellung des Automatisierungsprogramms einem Benutzer eine Eingabemöglichkeit (EM) zur Zuordnung von Prioritätswerten (PW) zu einzelnen Aufgaben des Automatisierungsprogramms zur Verfügung gestellt wird,
    dass durch eine Einrichtung eine Identifizierung aller Programmteile, die bei der Abarbeitung zumindest der Aufgabe mit der höchsten von dem Benutzer zugeordneten Priorität aufgerufen werden oder aufgerufen werden können, erfolgt, und
    dass die identifizierten Programmteile während der Ausführung des Automatisierungsprogramms zur dauerhaften Speicherung in dem zumindest einen speziellen Arbeitsspeicher vorgesehen werden.
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als der spezielle Arbeitsspeicher ein Cache-Speicher oder ein Tightly-Coupled Memory verwendet wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als zu priorisierende Aufgabe zumindest eine Verarbeitungsroutine für ein Ereignis auswählbar ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Laufzeit des Automatisierungsprogramms in dem speziellen Arbeitsspeicher auch einige oder alle der von den identifizierten Programmteilen zugegriffenen Daten gehalten werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in dem speziellen Arbeitsspeicher auch einige oder alle der von den identifizierten Programmteilen aufgerufenen Betriebssystem-Routinen gehalten werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Automatisierungsprogramm zum Ablauf auf einer Hardware-Plattform mit mehreren Prozessoren oder mit zumindest einem Multikern-Prozessor vorgesehen ist, wobei die identifizierten Programmteile zur Ausführung auf einem dafür reservierten der Prozessoren oder Prozessorkerne vorgesehen werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Programmierung ein Engineering-System verwendet wird, welches zumindest einen Editor für die Erstellung des Automatisierungsprogramms und einen Compiler für die Compilierung des Automatisierungsprogramms umfasst.
  8. Verfahren nach Patentanspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass durch den Compiler derjenige ausführbare Programm-Code, der aus den identifizierten Programmteilen resultiert, derart gekennzeichnet wird, dass ein Ladeprogramm auf einer Hardware-Plattform diesen ausführbaren Programm-Code in den speziellen Arbeitsspeicher lädt.
  9. Programmiersystem für die Erstellung eines Automatisierungsprogramms für eine industrielle Automatisierungskomponente,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Programmiersystem eine Eingabemöglichkeit (EM) zur Zuordnung von Prioritätswerten (PW) zu einzelnen Aufgaben des Automatisierungssystems aufweist,
    dass das Programmiersystem zur Identifizierung aller Programmteile, die bei der Abarbeitung zumindest derjenigen Aufgabe mit des höchsten, mittels der Eingabemöglichkeit (EM) zugeordneten Prioritätswertes (PW) aufgerufen werden oder aufgerufen werden können, eingerichtet ist, und
    dass das Programmiersystem dazu eingerichtet ist, die identifizierten Programmteile für die dauerhafte Speicherung in dem zumindest einen speziellen Arbeitsspeicher für die Dauer der Ausführung des Automatisierungsprogramms vorzusehen.
  10. Programmiersystem nach Patentanspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Programmiersystem zur Adressierung von Cache-Speicher oder von Tightly-Coupled Memory als speziellem Arbeitsspeicher eingerichtet ist.
  11. Programmiersystem nach einem der Patentansprüche 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Eingabemöglichkeit (EM) zur Auswahl einer Ereignis-Verarbeitungsroutine als zu priorisierende Aufgabe eingerichtet ist.
  12. Programmiersystem nach einem der Patentansprüche 9 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Programmiersystem derart eingerichtet ist, dass zur Laufzeit des Automatisierungsprogramms in dem speziellen Arbeitsspeicher auch einige oder alle der von den identifizierten Programmteilen zugegriffenen Daten gehalten werden.
  13. Programmiersystem nach einem der Patentansprüche 9 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Programmiersystem derart eingerichtet ist, dass zumindest einige der von den identifizierten Programmteilen aufgerufenen Betriebssystem-Routinen identifiziert und für die Dauer der Programmausführung in dem speziellen Arbeitsspeicher vorgehalten werden.
  14. Programmiersystem nach einem der Patentansprüche 9 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Programmiersystem zur Erstellung von ausführbarem Programmcode für eine Ziel-Hardware mit mehreren Prozessoren oder mit zumindest einem Multikern-Prozessor vorgesehen ist, wobei das Programmiersystem dazu eingerichtet ist, die identifizierten Programmteile zur Ausführung auf einem für diese reservierten der Prozessoren oder Prozessorkerne vorzusehen.
  15. Programmiersystem nach einem der Patentansprüche 9 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Programmiersystem zumindest einen Editor für die Erstellung des Automatisierungsprogramms und einen Compiler für die Compilierung des Automatisierungsprogramms umfasst.
  16. Programmiersystem nach einem der Patentansprüche 9 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Programmiersystem zur Erstellung von Anweisungen für ein Ladeprogramm auf einer Ziel-Hardware eingerichtet ist, wobei die Anweisung das Laden von identifizierten Programmteilen in den speziellen Arbeitsspeicher umfassen.
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